Die Tonleiter des Lichts

Deutschland hat wieder einen Nobelpreisträger: Theodor Hänsch forscht und lehrt in München. Mit amerikanischen Kollegen hat er den Laser gezähmt

Es war Theodor Hänsch wohl ganz recht, dass er am vergangenen Dienstag aus Deutschland flüchten konnte. Während zu Hause in seinem Institut das elektronische Postfach vor Glückwünschen überquoll und den Faxgeräten das Papier ausging, fuhr der Physiker zum Münchner Flughafen und bestieg eine Maschine in Richtung USA, wo er schon vor längerem seine Teilnahme an wissenschaftlichen Tagungen zugesagt hatte. So konnte Hänsch, als in seiner Heimat der Rummel um den »deutschen« Nobelpreis losbrach, über den Wolken seinen Ruhm in aller Ruhe genießen.

Dieses Verhalten wäre vermutlich ganz im Sinn Albert Einsteins gewesen, als dessen Erbe sich Hänsch nun ein wenig fühlen darf. Schließlich gab dieser im Jahre 1905 mit seiner berühmten »Lichtquantenhypothese« den Startschuss zur Entwicklung der Quantenoptik, des heutigen Fachgebiets von Hänsch. Und wohl nicht ganz zufällig ist die Entscheidung des Stockholmer Nobel-Komitees eine Referenz an das Einsteinjahr.

Allerdings lässt sich an Hänsch auch studieren, wie wenig moderne Physiker noch dem Klischee Einsteins entsprechen. Während jener als Prototyp des einsamen Genies gilt, das allein im Studierzimmer das Weltbild aus den Angeln hebt, gebietet Hänsch als Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München über Dutzende von Forschern und modernstes Equipment. Und statt Zurückgezogenheit kultiviert er einen modernen Forschungsstil mit flachen Hierarchien und kreativen Gesprächen in kleinen Gruppen; außerdem hat er ein Faible für moderne technische Spielereien.

»Ted«, wie ihn Kollegen nennen, tauchte schon mit einer Digitalkamera auf Konferenzen auf (und lichtete damit die Folien seiner Konkurrenten ab), als noch die wenigsten wussten, wie man solche Geräte bedient. Auch als Videofilmer hat er sich hervorgetan: In einem Streifen ließ er Sporen der Bärlapp-Pflanze zur Musik von Giselle Ballett tanzen und demonstrierte so das Prinzip der »Paulfalle« (in der geladene Teilchen durch ein elektrisches Feld festgehalten werden). Ein Fernsehteam war davon angeblich so angetan, dass es versuchte, die physikalische Tanzszene nachzustellen.

»Professor Düsentrieb« taufte die Financial Times Deutschland den Forscher, dem selbst Kollegen eine »ausgeprägte Verspieltheit« attestieren. Sein »Spielzimmer« ist ein kleines Privatlabor an der Universität München, voll gestopft mit Lasern, Mikroskopen, Monitoren und Netzgeräten, die der Professor zum Teil bei eBay ersteigerte. Wann immer er eine Idee habe, gehe er ins Labor und probiere sie aus, sagte Hänsch einmal. So begeisterte er seine Studenten beispielsweise mit einem Laser aus Wackelpudding. Dass nicht jedes seiner Experimente zum Erfolg führt, stört ihn nicht; es sei nur wichtig, »seine Fehler schnell zu machen«.

Dass oft erst Fehlschläge zu kreativen Lösungen führen, gehört gewissermaßen zu den konstituierenden Elementen der Quantenoptik. Schon Albert Einstein musste vor hundert Jahren zwei widersprüchliche Vorstellungen vereinen: Damals galt Licht einerseits als elektromagnetische Welle. Andererseits wusste man, dass Licht beim Auftreffen auf eine Fotoplatte in einzelnen Energieportionen absorbiert wird. Einstein löste das Problem, indem er dem Licht auch eine »körnige« Struktur zuschrieb. Demnach gibt eine Lichtwelle ihre Energie in diskreten Päckchen (Lichtquanten) ab. Diese so simpel anmutende Erkenntnis hat die gesamte Physik verändert, die Entwicklung von Laser und Computer ermöglicht und uns das ganze Arsenal moderner Gebrauchselektronik vom CD-Spieler bis zum Handy beschert.

Da ist es nur folgerichtig, dass hundert Jahre nach Einsteins Annus mirabilis der Physik Nobelpreis an drei Forscher geht, die an dieser Entwicklung entscheidenden Anteil haben. Die Hälfte des Preisgeldes von (umgerechnet) 1,1 Millionen Euro erhält Roy Glauber, der in den sechziger Jahren an der Harvard University die theoretischen Grundlagen für die Quantenoptik formulierte. Er berechnete etwa die Bedingungen für jene kohärenten Zustände (»Glauber-Zustände«) des Lichts, die dessen extreme Fokussierung in einem Laserstrahl erlauben. Theodor Hänsch und der an der University of Colorado in Boulder lehrende John Hall dagegen führten vor, wie man dieses Laserlicht fast nach Belieben zähmt.

Der Erfindungsreichtum von Hänsch und Hall, die schon lange gute Freunde sind, lässt sich vielleicht am besten an dem von ihnen entwickelten »Frequenzkamm« verdeutlichen. Lange Zeit nämlich ließen sich die Frequenzen einzelner Laser (die wir als Farbe wahrnehmen) nur indirekt über ihre Wellenlänge messen. Diese Methode aber war für moderne Anforderungen allzu ungenau. Da gilt es schließlich, Frequenzen von einer Billiarde Schwingungen pro Sekunde zu bestimmen.

Die Lösung von Hänsch und Hall: eine Art »Übersetzungsgetriebe« für das Licht zu konstruieren. Dazu bauten sie einen Referenzlaser, in dem ein Lichtpuls durch vier Spiegel wie in einem Käfig gefangen ist und eine Milliarde Mal pro Sekunde hin- und hergeworfen wird. Dabei ist einer der Spiegel etwas transparent. Dank trickreicher Regulierung lässt es sich so einrichten, dass nach jeder millionsten Schwingung der Laserfrequenz ein Lichtpuls nach außen entwischt. Dieser ist also mit der tatsächlichen Frequenz des Lasers wie in einem Getriebe verzahnt: Das hochtourige Geschehen im Inneren lässt sich außerhalb bequem in einer millionenfachen Untersetzung mitzählen.

Mit weiteren Kniffen erreichte Hänsch, dass der Laser nicht nur Licht einer Frequenz ausstrahlt, sondern Hunderttausende Farben auf einmal – eine Art Tonleiter des Lichts. Wollte man diesen Farben wie auf einem Klavier einzelne Tasten zuordnen, lägen diese so dicht nebeneinander wie die Zähne eines Läusekamms. Daher wurde die Apparatur Frequenzkamm getauft.

Hänsch beließ es allerdings nicht bei der Grundlagenforschung. In der Start-up-Firma Menlo Systems versucht er, seine Entwicklung auch zu vermarkten. Die schuhkartongroße Apparatur ist nicht nur wesentlich kleiner als frühere Frequenzmesssysteme, die den Raum einer Fabrikhalle einnahmen, sondern mit 270000 Euro auch erheblich billiger. Der Frequenzkamm dürfte entscheidend dazu beitragen, noch präzisere Atomuhren zu bauen, die Satellitennavigation zu verbessern oder die Datenübertragungsrate in Glasfasernetzen zu steigern.

Der kommerzielle Erfolg ist für Hänsch allerdings eher ein – wenn auch willkommener – Nebeneffekt. Hätte er mit der Wissenschaft hauptsächlich Geld verdienen wollen, wäre der Physiker, der nach seiner Promotion an der Universität Heidelberg 16 Jahre lang an der Stanford-Universität forschte, wohl in den USA geblieben. Geld aber sei ihm nicht so wichtig, bekannte Hänsch einmal, ganz idealistischer Wissenschaftler. Deshalb sei er auch nach Deutschland zurückgekehrt. Hier sei das Klima für die Grundlagenforschung besser. Wenn er in drei Wochen wieder in der Heimat landet, wird Theodor Hänsch vermutlich noch viel Gelegenheit haben, diese These näher auszuführen.